Dagens betonteknologi DBF-møde 4. oktober 2006 Betons egenskabsudvikling Mette Geiker Dept. of Civil Engineering BYG DTU Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 1 Abstrakt Betonens behov for fx efterbehandling og potentielle tæthed kan vurderes vha. simple volumenbetragtninger Få Powers' model genopfrisket og se et par eksempler på anvendelsen Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 2 1
Indhold Betons mikrostrukturudvikling (her porøsitet) og vandbinding Powers model Eksempler Vurdering af behov for efterbehandling Vurdering af chloridindtræningshastighed Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 3 Indhold Betons mikrostrukturudvikling (her porøsitet) og vandbinding Powers model Eksempler Vurdering af behov for efterbehandling Vurdering af chloridindtræningshastighed Modeller for effekten af tid og temperatur fortæller jeg gerne om en anden gang Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 4 2
Afbinding og hærdning af beton Hvile periode Afbinding Hærdning Cement Vand Hydratiseringsprodukter Efter [Locher and Richartz] i [Young et al 1998] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 5 Porer i beton Påvirker holdbarhed [Setzer??] i [CEB 1992] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 6 3
Porer i beton Påvirker holdbarhed [Setzer??] i [CEB 1992] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 7 Porøsitet betegnelserne varierer Gel Capillary x (x) Micro Capillary x x x Macro [Powers] [Powers & Brownyard] [CEB 1992] x Micro x Meso x Macro [Young et al. 1998] Micro Meso x x x Macro Å Nano Micron Millimeter x x x x 0 1.E-10 1.E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 Radius of pore [m] [UPAC 1998] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 8 4
Optisk mikroskopi af tyndslib Bestemmelse af tilsyneladende w/c [www.concrete-experts.com/] X x x x x Lysintensitet v/c [www.concrete-experts.com/] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 9 Mikrostruktur af hydratiseret cement pasta, vandets binding Definitioner varierer, fx Kapillarvand Frit vand I porer > 50 nm Vandbinding vha. kapillarkræfter i porer 5 < x < 50 nm Gelvand Adsorbet vand tykkelse op til seks molekyler vand, dvs. 1.5 nm, stor del fordampet ved 30% RF Interlayer-vand vandtab under under 11% RH Kemisk bundet vand vand bibeholdt ved tørring (rumtemperatur) [Feldman & Sereda in 1970 ] in [Mehta & Monteiro 2006] Affects shrinkage Adsorbed Interlayer water Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 10 5
Fugt i beton Binding af vand Frit vand Kapillarkondenseret vand Sorptionskurve Adsorberet vand (adsorbet og interlayer-vand ) Kemisk bundet vand [Hedberg, 1993] [Hedberg, 1993] in [Mjörnell 1994] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 11 Beregnet vs. målt desorptions-isotherm W/C=0.4, SRPC Degerhamn W e /C 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0.1 0.4 0.7 0.1-0.2 0.2-0.3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 0.6-0.7 0.7-0.8 4000 W/B=0.4, Si/B=10 %, SRPC Degerhamn W e /C 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 4010 0 0 0 50 100 0 50 100 RH (%) RH (%) Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 [Mjörnell 1997] 12 0.2 0.4 0.6 0.2-0.3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 6
Virkelighed Simulering af hydratisering, fx vha. Electronic monograph on the computational materials science of concrete nm http://ciks.cbt.nist.gov/monograph/ m mm MODEL Beregning af egenskaber og funktion Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 13 Volumetrisk fasefordeling i hærdnende cementpasta Baseret på 12 års intensiv forskning Powers og Brownyard præsenterede en empirisk model i 1948 Senere modifiseret af Powers Powers' model Benchmark: Kvantificering af hydratiseringsprocessen Powers model er et godt udgangspunkt Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 14 7
Powers model Baseret på studier af (primært) Sorptions-isothermer for vanddamp Ikke-evaporabelt vand (kemisk bundet vand) Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 15 Powers model Baseret på studier af (primært) Sorptions-isothermer for vanddamp Ikke-evaporabelt vand (kemisk bundet vand) [Hedberg, 1993] i [Mjörnell 1994] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 16 8
Powers model Baseret på studier af (primært) Sorptions-isothermer for vanddamp Ikke-evaporabelt vand (kemisk bundet vand) [Hedberg, 1993] i [Mjörnell 1994] [Greene 1960] i [Hansen et al. 2000] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 17 Powers model volumetrisk fasefordeling Kemisk svind V c.s. = 0.20(1-p)α Kapillar vand V c.w. = p-1.32(1-p)α Gelvand V g.w. = 0.60(1-p)α Gelfaststof V g.s. = 1.52(1-p)α Cement V c = (1-p)(1-α) p i Vi = 1 Initial porøsitet, ( v /c) p = ( v /c) + ( / ρ v ρ c Volume fraction ) Chem. shrinkage Capillary water Gel water Gel solid Cement Degree of hydration v, c Vægt af vand og cement ρ Densitiet, ρ c 3150 kg/m 3 ; ρ w 1000 kg/m 3. α Hydratiseringgrad, α=reageret cement/total cement Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 18 9
Kemisk svind ΔV= V produkter -V reaktanter Kemisk svind Tid [Geiker 1983] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 19 Powers model Eksperimentelt bestemte konstanter Ikke fordampeligt vand w n =0.23 g/g reageret cement Gelvand w g.w. =0.19 g/g reageret cement Kemisk svind ΔV=6.4 ml/100 g reageret cement Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 20 10
Powers model Eksperimentelt bestemte konstanter Ikke fordampeligt vand w n =0.23 g/g reageret cement Gelvand w g.w. =0.19 g/g reageret cement Kemisk svind ΔV=6.4 ml/100 g reageret cement Uhindret hydratisering for w/c > 0.42 Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 21 Volumetrisk fasefordeling af cementpasta vs. hydratiseringsgrad, α w/c = 0.6, forseglet w/c = 0.3, forseglet Capillary water Empty p. Capillary water Empty p. Gel water Volume fraction Gel water Volume fraction Gel solid Gel solid Cement Degree of hydration Cement Degree of hydr. fuld hydratisering (α = 1) af cement mulig fuld hydratisering (α = 1) af cement ikke mulig Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 22 11
Powers model Eksperimentelt bestemte konstanter Ikke fordampeligt vand w n =0.23 g/g reageret cement Gelvand w g.w. =0.19 g/g reageret cement Kemisk svind ΔV=6.4 ml/100 g reageret cement Portland cement Uhindret hydratisering for w/c > 0.42 Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 23 Baseret på antagne Reaktioner Hydratiseringsgrad Molære volumen For en given binder Kan følgende estimeres Volumenfraktion Kemisk svind Ikke-evaporabelt vand og hvis v/c kendt Kapillarporøsitet [Kosmatka et al. 2002] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 24 12
Pozzolanisk reaktion af mikrosilica Ikke-fordampeligt vand w n =0 g/g reageret mikrosilica Gelvand w g.w. =0.5 g/g reageret mikrosilica Kemisk svind ΔV=22 ml/100 g reageret mikrosilica [Jensen & Hansen 2001] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 25 Indhold Betons mikrostrukturudvikling (her porøsitet) og vandbinding Powers model Eksempler Vurdering af behov for efterbehandling Vurdering af chloridindtræningshastighed Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 26 13
Effekt of v/c og hydratiseringsgrad på kapillarporøsitet V cw =p-1.3 (1-p) α α=(p-v cw )/(1.3*(1-p)) Initial porøsitet, ( v /c) p = ( v /c) + ( / ρ v ρ c ) Degree of hydration 1.00 0.80 (w/c) p = (w/c) + ( ρ w / ρ c) 0.60 0.40 0.20 Vcw=0.2 Vcw=0.3 Vcw=0.4 0.00 0 0.2 0.4 0.6 0.8 w/c Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 27 Krav/vejledning - minimum beskyttelse DS 482 Miljøklasse P M A E Min. hydratiseringsgrad (eksperimentelt bestemt varmeudvikling) Vejledning v/c > 0.55 0.55 > v/c > 0.45 40 % 15 M 15 M 60 % - 36 M 85 % - - 90 % - - 0.45 > v/c > 0.40 12 M 24 M 120 M - 0.40 > v/c 12 M 24 M 96 M 120 M Matrurity-timer Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 28 14
Effekt af fugtindhold på chloriddiffusion [Nilsson 1980], [Tuutii 1982], [Goodbake et al 1979], [Nilsson & Peterson 1983] in [Lindvall 2001] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 29 Porer i beton [Setzer Geiker 19??] i [CEB Dagens 1992] betonteknologi - DBF, [Hedberg, 4. oktober 2006 1993] i [Hedberg, [Mjörnell 1994] 1993] 30 15
Fugtindhold Porestørrelsesafhængig diffusionskoefficient D cw D cw /400 [Garboczi] 45% [Powers and Brownyard, 1947] RF [Nielsen & Geiker 2002] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 31 For en given binder Baseret på antagne Reaktioner Hydratiseringsgrad Molære volumen Kan følgende estimeres Volumenfraktion Kemisk svind Ikke-evaporabelt vand og hvis v/c kendt Kapillarporøsitet [Kosmatka et al. 2002] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 32 16
Målte og beregnede chloridprofiler Mørtel 440 kg/m 3 rapid P. cement v/c=0.5 maturity min. 6 måneder Cl-concentration [mass%] 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Data fitting by Eq.1 Simulated 65 % RF 0.30 0.25 [Nielsen & Geiker 2002] Data fitting by Eq.2 Simulated 0.00 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.30 Depth from surface [m] Data fitting by Eq.1 0.25 Simulated Cl-concentration [mass%] 0.20 0.15 0.10 0.05 Vandmættet Cl-concentration [mass%] 0.20 0.15 0.10 0.05 85 % RF 0.00 0.00 Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 33 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 Depth from surface [m] Depth from surface [m] Chloridindtrængning, Eksempel, kantbjælker, Fiskebækbroen v/(c+2sf) sf/c % In-situ D Cl, 10-13 m 2 /s Laboratorium D Cl 10-13 m 2 /s 0.42 0 3.5 210 0.35 10 1.5 6 0.34 20 0.9 6 [Herholt et al 1985 ] [Foto COWI] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 34 17
Volumetrisk fasefordeling i hærdnende cementpasta Baseret på 12 års intensiv forskning Powers og Brownyard præsenterede en empirisk model i 1948 Senere modifiseret af Powers Powers' model Benchmark: Kvantificering af hydratiseringsprocessen Powers model er et godt udgangspunkt Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 35 Referencer - 1 CEB-Design guide: Durable Concrete Structures. Task Group 20: Durability and Service Life of Concrete. Thomas Telford Services Ltd., 1992 Edt. Rostam, S. COWI: Privat kommunikation [Greene 1960] in [Hansen et al. 2000] Rostam, S.: Privat kommunikation [Garboczi] Mette Geiker: Studies of Portland Cement Hydration, Measurements of Chemical Shrinkage and a Systematic Evaluation of Hydration Curves by Means of the Dispersion Model. Ph.D. Thesis, The Institute of Mineral Industry, The Technical University of Denmark, 1983 G.M. Idorn Consult: Privat kommunikation Feldman, R.F. & Sereda, P.J. (1970):Eng. J. (Canada), Vol. 53, No. 8/9 http://ciks.cbt.nist.gov/monograph/ Hedberg, B. (1993): Application for Excel of the model of selfdesiccation in cement paste, Computer softwre. Department of Building Materials, Chalmers University of Technology, Sweden Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 36 18
Referencer - 2 Herholdt, A.D. et al. 1985, Beton-Bogen, Aalborg Portland, 2. udg., Aalborg, Denmark, 1985 Jensen, O.M. and Hansen, P.F. (2001): Water-entrained cementbased materials I. Principles and theoretical background, Cement and Concrete Research 31 (2001) 647-654 Kosmatka, S. Kerkhoff, B., and Panarese, W.C. (PCA) (2002): Design and Control of Concrete Mixtures, Portland Cement Association (PCA), EB001, 14 edt. [Locher and Richartz] i [Young et al 1998] Mehta, P.K. and Monteiro. P.J.M.: Concrete: Microstructure, Properties, and Materials, 3 edt. 2006, McGraw-Hill, ISBN 0-07- 146289-9 Mjörnell, K.N. (1994):Self-desiccation in concrete. Department of Building Materials, Chalmers University of Technology, Sweden ISSN 0280-7262 Mjörnell, K.N. (1997): Moisture conditions in high performance concrete. Department of Building Materials, Chalmers University of Technology, Sweden ISSN 1104-893X Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 37 Referencer - 3 Nielsen, E. P. and Geiker, M.: Chloride diffusion in partially saturated cementitious material. Cement and Concrete Research, 33 (2003) 133-138 [Nilsson 1980], [Tuutii 1982], [Goodbake et al 1979], [Nilsson & Peterson 1983] in [Lindvall 2001] Powers, T.C.; Physical properties of cement paste, Proc. First International Symposium on the Chemistry of Cement, Washington D.C. 1960, US Bureau of Standards, Monograph 43, 2 (1962) 577-613 (to be checked) Powers, T.C. and Brownyard, T.L.; Studies of the physical properties of hardened cement paste, Bulleting 22, Research Laboratories of the Portland Cement Association, Chicago, March 1948 (to be checked) Scrivener, K.L; Backscattered electron imaging of cementitious microstructures: Understanding and quantification. Cement & Concrete Composites 26 (2004) 935-945 [Setzer?] in [CEB 1992] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 38 19
Referencer - 4 Young, J. Francis; Mindess, Sidney; Gray, Robert, J, og Bentur, Arnon (1998): The science and technology of civil engineering, Prentice Hall www.concrete-experts.com/] Geiker Dagens betonteknologi - DBF, 4. oktober 2006 39 20